Java 类型系统

作者: 零度沸腾_yjz | 来源:发表于2021-11-08 19:36 被阅读0次

类型系统与反射

JVM会为每个加载到内存的类创建了一个Class对象，而我们可以通过Class对象来获取类中的Field(字段)、Constructor(构造方法)、Method(普通方法)、Parameter(参数)、Modifier(类、变量、方法等的修饰符)等几乎所有的类元数据信息。这也就是Java反射的基础，为Java带来了极大的灵活性和通用性。

在泛型类型(Generic Type)出现之前，我们能够通过反射来获取Class的元数据信息。但是泛型类型引入后，由于类型擦除(Type erase)，在编译后泛型类型信息被除掉了，导致原本类似List<Integer>和List<String>不同的类型都编译成了同一个Class对象。

类型擦除是Java引入泛型的一种折中方案，由于需要兼容老版本的JVM，所以通过类型擦除将类型信息在编译期去除，保证JVM对于接受的泛型类和普通类没有任何差异。

既然通过普通反射无法获取泛型类型的元数据信息了，Java索性做了一层更高层的抽象，也就是Type。

Type接口

Type是Java编程语言的中所有类型的通用超级接口，包括原始类型(raw types)、参数化类型(Parameterized types)、类型变量(Type variables)和基本类型(primitive types)。

下面是Type源码，可以看到只有一个GetTypeName方法，用于返回描述此类型的字符串。

package java.lang.reflect;

public interface Type {
    default String getTypeName() {
        return toString();
    }
}

对于Type接口直接实现类只有Class，除了Class实现类外，还有四个子接口(ParameterizedType、TypeVariable、GenericArrayType和WildcardType)扩展了Type接口。

image.png

Class、ParameterizedType、TypeVariable、GenericArrayType和WildcardType组成了Java编程类型体系。

WildcardType虽然是Type的子接口，但是WildcardType并不是java中类型中的一种。

Class类型

Class类型代表Java程序中正在运行的类(Class)和接口(Interface)，包括枚举(Enum)、注解(Annotation)、数组(比如int []、List[]等)以及原始基础类型(byte、int、short、double等八大基础类型)等。可以说在没有泛型类型之前，Class类型可以说是就包括了Java的所有类型。

上面提到的Type类型中，原始类型(raw type)和基本类型(primitive type)都属于Class类型。

Class类没有提供public构造方法，Class的构造是由JVM自动构造或者通过ClassLoader的defineClass来构造。

通过调用Class的getTypeName会打印对应类的全类名。

public void testJavaType() {
    String str = new String("Hello world");
    System.out.println(str.getClass().getTypeName());
 }

输出结果：
java.lang.String

ParameterizedType类型

ParameterizedType(参数类型)正如其名字一样，代表具有类型参数的类型，比如List<T>、Map<K, V>等具有类型参数的类型都属于ParameterizedType。

ParameterizedType源码如下：

public interface ParameterizedType extends Type {
    /**
     * 返回类型中具体的参数化类型，比如Map<String, Integer>， 则返回的是[java.lang.String, java.lang.Integer]组成的类型数组
     */
    Type[] getActualTypeArguments();

    /**
     * 返回类型参数的原始类型，比如List<String>中的List、Map<String, Integer>中的Map。
     */
    Type getRawType();

    /**
     * 该方法是用于内部类的，用于获取内部类所属的类型。比如Map.Entry，Entry属于Map类型的内部类，所以返回Map
     */
    Type getOwnerType();
}

下面是一个用于测试Parameterized的测试类，可以看到实际只有v1、v2、v4和v5是ParameterizedType。

public class ParameterizedTypeTest {
  private Map<String, Integer> v1;
  private List<String> v2;
  private List v3;
  private Class<?> v4;
  private Map.Entry<String, ParameterizedTypeTest> v5;
  private String v6;

  public static void main(String[] args) {
    Field[] fields = ParameterizedTypeTest.class.getDeclaredFields();

    for (Field field : fields) {
      if (field.getGenericType() instanceof ParameterizedType) {
        System.out.println("====" + field.getName() + ":" + field.getType() + "====");
        ParameterizedType fieldType = (ParameterizedType) field.getGenericType();
        System.out.println("getTypeName: " + fieldType.getTypeName());
        System.out.println("getRawType: " + fieldType.getRawType());
        System.out.println("getOwnerType: " + fieldType.getOwnerType());
        System.out.println("getActualTypeArguments: " + Arrays.toString(fieldType.getActualTypeArguments()));
      }
    }
  }
}

输出：

====v1:interface java.util.Map====
getTypeName: java.util.Map<java.lang.String, java.lang.Integer>
getRawType: interface java.util.Map
getOwnerType: null
getActualTypeArguments: [class java.lang.String, class java.lang.Integer]
====v2:interface java.util.List====
getTypeName: java.util.List<java.lang.String>
getRawType: interface java.util.List
getOwnerType: null
getActualTypeArguments: [class java.lang.String]
====v4:class java.lang.Class====
getTypeName: java.lang.Class<?>
getRawType: class java.lang.Class
getOwnerType: null
getActualTypeArguments: [?]
====v5:interface java.util.Map$Entry====
getTypeName: java.util.Map$Entry<java.lang.String, io.ray.state.ParameterizedTypeTest>
getRawType: interface java.util.Map$Entry
getOwnerType: interface java.util.Map
getActualTypeArguments: [class java.lang.String, class io.ray.state.ParameterizedTypeTest]

注意：

getActualTypeArguments只返回第一层<>内的类型参数。比如上面的Map.Entry<String, ParameterizedTypeTest> 中返回是String和ParameterizedTypeTest类型；在比如上面的Class<?>中返回的是通配符?。

TypeVariable类型

TypeVariable类型变量类型，是指T v1中的T就是类型变量。

TypeVariable源码如下：

public interface TypeVariable<D extends GenericDeclaration> extends Type, AnnotatedElement {
    /**
     * 获取类型变量的上边界类型
     */
    Type[] getBounds();

    /**
     * 获取声明该类型变量的实体
     */
    D getGenericDeclaration();

    /**
     * 获取类型变量在源码中的声明名称
     */
    String getName();

    /**
     * 返回注解类型数组，和上边界类型一一对应(没太懂用来干嘛的)
     */
     AnnotatedType[] getAnnotatedBounds();
}

下面是用于测试TypeVariable类型的测试用例，可以看到实际只有v1和v2属于TypeVariable类型。

public class TypeVariableTypeTest<K extends Number & Serializable, V>  {

  private K v1;
  private V v2;
  private K[] v3;
  private List<K> v4;

  public static void main(String[] args) {
    Field[] fields = TypeVariableTypeTest.class.getDeclaredFields();

    for (Field field : fields) {
      if (field.getGenericType() instanceof TypeVariable) {
        System.out.println("====" + field.getName() + ":" + field.getType() + "====");
        TypeVariable fieldType = (TypeVariable) field.getGenericType();
        System.out.println("getTypeName: " + fieldType.getTypeName());
        System.out.println("getBounds: " + Arrays.toString(fieldType.getBounds()));
        System.out.println("getName: " + fieldType.getName());
        System.out.println("getGenericDeclaration: " + fieldType.getGenericDeclaration());
        System.out.println("getAnnotatedBounds: " + Arrays.toString(fieldType.getAnnotatedBounds()));
      }
    }
  }
}

输出：

====v1:class java.lang.Number====
getTypeName: K
getBounds: [class java.lang.Number, interface java.io.Serializable]
getName: K
getGenericDeclaration: class io.ray.state.TypeVariableTypeTest
getAnnotatedBounds: [sun.reflect.annotation.AnnotatedTypeFactory$AnnotatedTypeBaseImpl@2077d4de, sun.reflect.annotation.AnnotatedTypeFactory$AnnotatedTypeBaseImpl@7591083d]
====v2:class java.lang.Object====
getTypeName: V
getBounds: [class java.lang.Object]
getName: V
getGenericDeclaration: class io.ray.state.TypeVariableTypeTest
getAnnotatedBounds: [sun.reflect.annotation.AnnotatedTypeFactory$AnnotatedTypeBaseImpl@77a567e1]

我们以K v1做详细分析：

v1对应的getTypeName为K，也就是声明类型。

v1类型变量对应上边界为Number和Serializable，因为K在类定义中指定了上边界为Number和Serializable。

v1对应getGenericDeclaration为TypeVariableTypeTest，因为K是在TypeVariableTypeTest中定义的。

GenericArrayType类型

GenericArrayType即泛型数组类型，比如T[]、List<T>[] 这类都属于泛型数组类型。

GenericArrayType源码如下：

public interface GenericArrayType extends Type {
    /**
     * 返回泛型数组中元素的数据类型，比如T[] 返回的是T。
     */
    Type getGenericComponentType();
}

下面是用于测试GenericArrayType的测试类，可以看到只有v2和v4为GenericArrayType类型。

public class GenericArrayTypeTest<T> {

  private T v1;
  private T[] v2;
  private List<T> v3;
  private List<T>[] v4;
  private GenericArrayTypeTest[] v5;

  public static void main(String[] args) {
    Field[] fields = GenericArrayTypeTest.class.getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
      if (field.getGenericType() instanceof GenericArrayType) {
        System.out.println("====" + field.getName() + ":" + field.getType() + "====");
        GenericArrayType fieldType = (GenericArrayType) field.getGenericType();
        System.out.println("getTypeName: " + fieldType.getTypeName());
        System.out.println("getGenericComponentType: " + fieldType.getGenericComponentType());
      }
    }
  }
}

输出：

====v2:class [Ljava.lang.Object;====
getTypeName: T[]
getGenericComponentType: T
====v4:class [Ljava.util.List;====
getTypeName: java.util.List<T>[]
getGenericComponentType: java.util.List<T>

我们以List<T>[] v4来说明：

v4对应的getTypeName为参数声明类型java.util.List<T>[]。

v4对应的component type为数组元素实际类型List<T>。

WildcardType类型

WildcardType即通配符类型，或称为泛型表达式类型。WildcardType虽然是Type的子接口，但是WildcardType并不是java类型中的一种，它仅仅是类似T extend Number、? super T这类的类型表达式。

WildcardType源码如下：

public interface WildcardType extends Type {
    /**
     * 获取泛型表达式中的上边界，也就是我们通过extends定义的上边界
     */
    Type[] getUpperBounds();

    /**
     * 获取泛型表达式中的下边界，也就是我们通过super定义的下边界
     */
    Type[] getLowerBounds();
}

下面是用于测试WildcardType的测试用例，可以看到v1、v2、v3、v4的的输出。

public class WildcardTypeTest {
  private List<? extends Number> v1;
  private List<? super Integer> v2;
  private Map<? extends String, ? super Integer> v3;

  private Class<?> v4;
  private List v5;

  public static void main(String[] args) {
    Field[] fields = WildcardTypeTest.class.getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
      Type fieldType = field.getGenericType();
      if (fieldType instanceof ParameterizedType) {
        ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) fieldType;
        Type[] subTypes = parameterizedType.getActualTypeArguments();
        System.out.println("====" + field.getName() + ":" + field.getType() + "====");
        for (Type type : subTypes) {
          if (type instanceof WildcardType) {
            WildcardType wildcardType = (WildcardType)type;
            System.out.println("getTypeName: " + wildcardType.getTypeName());
            System.out.println("getUpperBounds: " + Arrays.toString(wildcardType.getUpperBounds()));
            System.out.println("getLowerBounds: " + Arrays.toString(wildcardType.getLowerBounds()));
          }
        }
      }
    }
  }
}

下面是输出，从输出可以看到，如果没有设置extends上限，默认是Object作为上限。

====v1:interface java.util.List====
getTypeName: ? extends java.lang.Number
getUpperBounds: [class java.lang.Number]
getLowerBounds: []
====v2:interface java.util.List====
getTypeName: ? super java.lang.Integer
getUpperBounds: [class java.lang.Object]
getLowerBounds: [class java.lang.Integer]
====v3:interface java.util.Map====
getTypeName: ? extends java.lang.String
getUpperBounds: [class java.lang.String]
getLowerBounds: []
getTypeName: ? super java.lang.Integer
getUpperBounds: [class java.lang.Object]
getLowerBounds: [class java.lang.Integer]
====v4:class java.lang.Class====
getTypeName: ?
getUpperBounds: [class java.lang.Object]
getLowerBounds: []

总结

Java因为扩展泛型类型，引入了Type体系，Type是Java编程语言的类型系统超级接口。Type下由Class、TypeVariable、ParameterizedType、GenericArrayType和WildcardType组成了Java编程语言的类型系统。Class类型是指未出现泛型前所有类型，包括数组、接口、枚举、注解等等，都属于Class 原始类型；TypeVariable是指泛型类型中的泛型变量，一般主要用于类中定义了泛型标识T，类中字段使用T作为字段类型的变量，比如T v1；GenericArrayType是指泛型类型的数组，和TypeVariable类似，但是是泛型变量的数组，比如T[] v1。ParameterizedType参数化类型是指类型中具有泛型参数的变量，ParameterizedType需要和TypeVariable区分，TypeVariable是指纯泛型类型变量，而ParameterizedType是指类型中包含类型变量的类型，比如List<T>这种，类型由List和泛型T两部分组成。

看了上面的Java类型系统，对我们日常工作又有哪些好处呢？

个人理解主要两方面，一方面Java类型系统属于Java的高级特性，能够使我们更加透彻的理解Java中类型、泛型、反射等。另一方面，对于一些序列化框架、RPC框架、甚至一些引擎框架的类型系统(比如我们正在做的RayState类型系统)都会用到相关知识。